Autonomní vozidla a celý obor autonomní logistiky vyvolávají v posledních letech velký výzkumný, odborný i komerční zájem. S tím úzce souvisí výzvy k uplatňování autonomních technologií pro logistické, transportní a speciální operace v halách i v terénu. Této tematice se věnuje mezioborový tým Ústavu pro nanomateriály, pokročilé technologie a inovace Technické univerzity v Liberci (CxI TUL), který v rámci projektu Modulární platforma pro autonomní podvozky specializovaných elektrovozidel pro dopravu nákladu a zařízení pracuje od roku 2018 na vývoji autonomního modulárního elektrického vozítka pro efektivní a bezpečnou dopravu nákladů a zařízení. Do výzkumu se zapojují pracovníci i studenti napříč fakultami liberecké univerzity. „Naším cílem není autonomní vozidlo pro silniční provoz. Zaměřujeme se na elektromobilitu, která bude pomáhat lidem a zvyšovat jejich bezpečnost na různých pracovištích. Dokončili jsme vývoj funkčního prototypu s autonomními prvky pod označením Generace 0. Ten je určen pro velké haly či skladiště a nyní vyvíjíme Generaci 1, která bude jezdit v náročném venkovním terénu, například na stavbách, v dolech nebo na nezpevněných plochách a dá se využít i pro inspekci v kontaminovaných oblastech. Naše systémy by se mohly uplatnit i v domácnostech, ale také jako pomocníci handicapovaných lidí,“ říká hlavní řešitel projektu doc. Michal Petrů z CxI TUL, který je zároveň vedoucí katedry částí a mechanismů strojů Fakulty strojní TUL. Zdůrazňuje, že multioborové propojení týmů z několika fakult umožňuje řešit výzkumné problémy spojené s oblastmi, jako je např. modulární architektura podvozkové části využívající lehké konstrukce, pohony a akumulátory pro autonomní užitková elektrovozidla či výzkum v oblasti systémů řízení autonomních užitkových elektrovozidel využívající smíšenou realitu, internet věcí (IoT) nebo big data.
Vozidlo vybavené řadou smyslů
Funkční prototyp malého autonomního elektrického vozítka (Generace 0) je softwarově vybaven vlastními smysly řízenými různými senzory. Autonomní řízení umožňuje nejen pohyb vozidla požadovaným směrem, ale také jeho reakce na nenadálé situace a překážky. Jednoduše řečeno: Pokud vozítko dostane zadání dojet z bodu A do bodu B, de facto si vlastním „myšlením“ díky vyvinutému softwaru naplánuje trasu, kterou je však schopné měnit a optimalizovat podle aktuální situace. A protože je vybaveno i unikátním viděním prostřednictvím virtuálních brýlí, dokáže detekovat prostředí a vyhnout se případným překážkám (sloupy, boxy nebo lidé), zabránit kolizím a bezpečně se dostat do cílového bodu. „Je to vlastně kolaborativní robot. Zcela analogicky s tím, jak člověk používá při řízení svoje smysly, nervy, mozek a svaly, vyvíjíme autonomní vozidlo vybavené řadou senzorů, nízkoúrovňovým řízením v PLC [Programmable Logic Controller – programovatelný logický automat – pozn. red.] včetně základní funkční bezpečnosti (nervy), autonomním řízením na tzv. edge vrstvě s využitím výkonné IoT jednotky vyhodnocující veškeré vstupy a zajišťující výpočet požadované trajektorie v reálném čase (mozek) a následným předáváním řídicích příkazů do funkčních členů podvozku a dovolujících pohyb či zatáčení (svaly),“ vysvětluje Michal Petrů unikátní řešení libereckých vědců, které výrazně zvýší bezpečnost práce v halách i v terénu. Tři úrovn ě bezpečnosti : reakce v milisekundách Bavíme se o autonomním vozidle, které je schopné se samo rozhodovat a samo se řídit. Výzkumné řešení libereckých vědců je inovativní v integraci rozšířené reality (AR – augmented reality) technologie Microsfot HoloLens do řízení celé platformy. To umožňuje využít potenciál nejen pro vlastní řízení a sledování polohy vozidla, ale také využít vestavěné funkce platformy HoloLens pro vzdálený dohled včetně přenosu obrazu a zvuku. „Senzory soustavně posílají signály řádově v milisekundových intervalech. V okamžiku, kdy se cokoliv objeví na naplánované trase, vozidlo okamžitě zareaguje – vyhne se překážce nebo zastaví,“ říká člen týmu Ing. Jan Kočí z CxI TUL, který je zodpovědný za přesnou lokalizaci reálných objektů a pozorovatelů v reálném čase a jejich promítnutí do virtuální 3D scény, včetně návrhu pokročilých metod pro sledování reálných objektů, analýzu dat v reálném čase a jejich integraci do hybridní scény. Poukazuje na to, že toto inovativní řešení má tři úrovně bezpečnosti. První úroveň zajišťují přímo v autě senzory – lidary, které auto zastaví i bez zapojení řídicí jednotky před překážkou, aniž se cokoliv vypočítává. Druhá úroveň bezpečnosti spočívá v zabudovaných řídicích systémem přímo na vozidle (například virtuální brýle), detektujících trasu a reagujících na případné překážky. Třetí úroveň bezpečnosti je daná tím, že celé vozidlo komunikuje do cloudu, kde se vyhodnocují data v reálném čase. „Nedílnou součástí vyvíjeného autonomního řízení je také cloudová nadstavba, která zajišťuje real time vyhodnocení vybraných signálů a predikci požadovaných zásahů do řízení s využitím principů machine learning. V cloudu se také soustřeďuje kompletní reporting telemetrických dat a webové uživatelské rozhraní pro sledování a vzdálenou správu autonomního vozidla,“ vysvětluje Ing. Kočí. „Myšlení“ vozidla tak podle něj dostává nový směr tím, že se data vyslaná z auta uloží na cloudu, vyhodnotí podle předdefinovaných algoritmů a pošlou zpět, aby auto adekvátně zareagovalo. „Vyhodnocená data ale slouží také pro prediktivní údržbu. Systém si sám vyhodnocuje, kdy je potřeba zajet pro dobití baterie, že je nutná výměna ložisek či nějaká jiná údržba,“ dodává Jan Kočí.
Lehké materiály s využitím odpadových nanočástic
Součástí komplexního vývoje autonomního vozidla je také materiálový výzkum zaměřený na odlehčené materiály, především na vývoj nových kompozitních materiálů. Podle docenta Petrů a profesora Jiřího Militkého z Fakulty textilní TUL to jsou většinou hybridní struktury složené z výztužné fáze tvořené z uhlíkových, skleněných nebo čedičových vlákenných struktur a polymerní matrice, do kterých se zabudovávají obyčejně submikronové částice a další plniva. Jejich vhodným výběrem lze nejen zvýšit mechanické vlastnosti, ale získat také řadu dalších funkcí, jako je elektrická vodivost, možnost odporového elektrického ohřevu nebo elektromagnetické stínění v širokém rozsahu frekvencí. Řada plniv se dá připravit z odpadů. Jako příklad můžeme uvést uhlíkové částice z odpadních akrylových vláken, které je možné vhodně aktivovat v průběhu jejich přípravy. Některá plniva lze vhodně upravit jednoduchými prostředky, jako je vysokorychlostní mletí. Obvykle se však používají i chemické postupy. To platí také pro plniva na bázi celulózových vláken, jejichž prostřednictvím lze bez speciálních úprav získat především materiály se sníženou hmotností nebo při speciální aktivaci materiály s výrazně zlepšenými mechanickými a různými funkčními projevy. Nové funkční hybridní materiály slibují podle doc. Petrů třikrát až čtyřikrát nižší hmotnost než konstrukce ze standardních kovových materiálů. „Zkoumáme různé nanočást ice, které umožňují funkcionalizaci výsledného hybridního materiálu. Chceme, aby nové konstrukce splňovaly požadavky na mechanické vlastnosti včetně odolnosti proti rázům a vibracím, a byly přitom co nejlehčí, aby nemusel být elektropohon příliš robustní, a snížily se tak nároky na konstrukci baterií. Vytváříme také nehořlavé kompozitní boxy umožňující adaptivní regulaci teploty pro uložení baterie, kde používáme kombinaci určitých anorganicko-organických hybridních struktur. Podařilo se nám tak snížit nebezpečí vznícení baterie a její funkčnosti při extrémních klimatických podmínkách (horko nebo mráz). Snažíme se co nejvíce využívat částic z odpadů, jako je např. speciálně mletý popílek a uhlíkové struktury, protože důležitou otázkou dneška je recyklovatelnost. Testujeme nanočástice oxidů zinku titanu a mědi a další typy plniv, jako je například mikrokrystalická celulóza z bavlny,“ konstatuje doc. Petrů. Upřesňuje, že pro některé aplikace využívají také speciální částice aerogelu na bázi oxidu křemičitého tvořícího speciální hierarchickou porézní strukturu s obsahem více než 90 % vzduchu. Jde o extrémně porézní ultralehký materiál odvozený od gelu, ve kterém byla kapalná složka gelu nahrazena vzduchem bez významného zhroucení gelové struktury. „Výs led kem je pev ná látka s extrémně nízkou hustotou a extrémně nízkou tepelnou vodivostí, která ale udrží zhruba stonásobek vlastní váhy. Podobnými materiály se samozřejmě zabývají i jinde ve světě. Naší snahou je najít optimální velikost, množství a optimální poměry jednotlivých složek. Snažíme se využívat a začleňovat do nových kompozit i takové organické a anorganické částice, u kterých se dociluje nových efektů jak změnami morfologie, tak i povrchovou aktivací, tj. např. dodáním nových funkčních skupin. V naší technologii na ovíjení speciálními páskami využíváme tzv. jednosměrná kompozita, kde je zesilující fáze orientována do směru působení napětí. Také u dalších kompozit zesílených vlákennými strukturami využíváme poznatků z konstrukce textilií pro zvýšení odolnosti proti různým energetickým polím. To vše vyžaduje komplexní přístup vyžadující interdisciplinární tým specialistů různých odborností, což je jednou z výhod TUL, kde jsou tito specialisté k dispozici na jednom místě,“ shodně popisují výzkum lehkých konstrukcí doc. Petrů a prof. Militký.
Malá převodovka, atypický podvozek a kola s vlastním pohonem
Na fakultě strojní se tým Ing. Roberta Voženílka, Ph.D., z katedry vozidel a motorů zaměřil na převodové ústrojí a návrhy uspořádání podvozku. Zabývá se také testováním mechanických vlastností vybraných komponent, spolupracuje na programování algoritmů pro stabilizaci jízdy a na vzájemné komunikaci mezi řídicími jednotkami jednotlivých systémů. Do vývoje se zapojili také studenti, kteří zkonstruovali malou kompaktní jednostupňovou převodovku bez diferenciálu, kde každé kolo má svůj elektrický motor a programátoři vytvořili algoritmy elektronického diferenciálu. V konstrukci převodovky využili studenti ozubená kola, která se používají v převodovkách běžných osobních automobilů, což významnou měrou přispělo ke snížení celkového objemu převodovky zhruba o čtvrtinu ve srovnání s obdobnými komerčně dostupnými převodovkami. „V návrhu převodovky byly použity standardní konstrukční přístupy. Pokud hovoříme o konstrukci náprav, tak tam se kolegové zaměřili s využitím topologických optimalizací na co nejefektivnější využití materiálu. Tímto způsobem jsou zkonstruované těhlice a ramena nápravy. Hlavními kritérii pro takovýto návrh bylo zachování pevnostních a deformačních vlastností dílů v devíti zatěžujících stavech při zajištění nízké hmotnosti dílů,“ informuje vedoucí katedry Robert Voženílek. Dodává, že nyní se připravuje ne zcela obvyklý koncept, kdy každé kolo má dva vlastní aktuátory pro natáčení – jeden pro točení kola ve směru jízdy a druhý natáčí kolo pro požadované odbočení. Tým na fakultě mechatroniky, informatiky a mezioborových studií (FM TUL) má za úkol naprogramovat a dosadit do systému řídicí jednotku, která bude řídit všechny akční členy tak, aby všechny systémy správně pracovaly, vzájemně se integrovaly jejich funkce a vytvořily jeden funkční celek. „Jedná se například o provozní brzdu, směrové řízení, řízení pohonu kol, lidary, HoloLens a rozměrově i výpočtově na míru navržené systémy hydraulicko-pneumatického odpružení,“ upřesňuje dr. Leoš Beran z FM TUL s tím, že do výzkumu se aktivně zapojují i studenti. Na fakultě ale řeší i složitější nadřazené systémy „myšlení“ autonomního vozidla. „Vytváříme řídicí systém, který máme zcela pod kontrolou a jsme schopni ho od začátku upravovat a vylepšovat,“ konstatuje dr. Beran.
Najít správnou baterii, experimenty s kapalinou
Pro úspěšnou realizaci výzkumného záměru nebudou liberečtí vědci vyvíjet nové bateriové články, ale zaměří se na to, jak co nejlépe využít známé technologie skladování elektrické energie a jejich adaptace pro konkrétní praktické využití užitkových platforem. Je potřeba zhodnotit parametry článků a zvolit takové, které budou mít nejlepší vlastnosti pro dané použití. A jak říká Ing. Pavel Jandura, Ph.D., z FM TUL, který má tuto část vývoje na starosti, články se vybírají z několika formátů. Mohou to být válečky, hranolky nebo ploché tvary, přičemž každý z tvarů má své výhody i nevýhody z hlediska mechanického uspořádání, a zejména z hlediska předávání tepla do okolí, případně naopak předání tepla z nějakého elementu do článků. „Jedním z cílů tohoto vývoje je najít způsob, jak články udržet při optimální teplotě. Chceme, aby baterie byla mechanicky odolná, a přitom lehká a aby obsahovala účinný teplotní management,“ konstatuje dr. Jandura. S využitím impedanční spektroskopie tým dr. Jandury může detekovat stav elektrochemických pochodů uvnitř článků, diagnostikovat stav rozhraní elektrolytu, mobilitu iontů lithia i rychlost difúze pro určení aktuální míry nabití baterie. „Řešenou problematikou je i bezpečnost baterie v případě mechanického zatížení, kde pro autonomní akumulátorové užitkové vozidlo je nezbytné dbát na poměr nosnosti a hmotnosti. Toho lze docílit synergií špičkového návrhu za podpory numerického modelování a použití progresivních materiálů, které umožní návrh kompaktní, výkonné a bezpečné baterie,“ říká Pavel Jandura a dodává, že v současné době v Liberci dělají experimenty, při kterých jsou články ponořené do speciální dielektrické kapaliny z řady Novec od americké firmy 3M. To přináší další výzkumná témata, týkají se se proudění kapaliny mezi články a bezpečného utěsnění, aby kapalina neunikala. „Kapalina nesmí být z hlediska ochrany životního prostředí toxická a musí zůstat nevodivá třeba až do hranice tisíce voltů. Tento pokročilejší systém s ponořenými články je zatím ve fázi ověřování a testů. My se ke kapalině připojujeme stejně jako k článkům. To znamená, že vezmeme nejlepší kapalinu, dáme ji dohromady s nejlepšími články, které máme k dispozici, a vyzkoušíme, jestli ten celek bude mít požadované parametry. Je to zajímavé téma, ale kapalina je relativně drahá a technologie je to poměrně komplikovaná. Je proto si také potřeba položit otázku, jestli tato cesta přinese očekávané výhody nejen z hlediska provozního, ale i ekonomického,“ zamýšlí se dr. Jandura.
Nejde o rychlost, ale o spolehlivost
Rychlost vozítka ovlivňují pohony. Současné generace se pohybují zdánlivě nízkou rychlostí – zhruba 10 km/h. V Liberci se ale všichni shodují na tom, že o rychlost tady nejde a že na prvním místě je, aby vozidlo dovezlo náklad spolehlivě na určené místo. Autonomní vozidlo není triviální záležitostí. Čím jede rychleji, tím komplikovanější je řízení a reakční doba musí být úměrně kratší. „Vozidlo je určeno pro průmysl. Tam se nezávodí, tam se hraje na jistotu a bezpečnost. Důležitým prvkem je kolaborace vozidla s okolím a s člověkem. Umíme si například představit, že jede za člověkem s těžkým nákladem rychlostí jeho chůze. Na softwarové úrovni se v rámci projektu snažíme dosáhnout i toho, aby mezi sebou spolupracovala i jednotlivá vozidla nebo vozidla a dostupná okolní infrastruktura,“ vysvětluje doc. Ivan Mašín z CxI TUL s tím, že to znamená mít odpovídající senzory a přesné zpracování dat řízení tak, aby vozidlo spolehlivě dělalo všechno, co je naprogramováno. Od malého k velkému První prototyp Generace 0 má přibližně tvar čtverce o straně zhruba jednoho metru. Tomu ale předcházela Generace 0‘ (derivace nuly), o velikosti dětského autíčka, na kterém se autonomie nejdřív testovala. „Postupovali jsme od malého autíčka, kde jsme si všechno softwarově vyzkoušeli a ověřili. Ověřená data jsme pak vložili do většího typu Generace 0 a nyní stavíme Generaci 1 pro jízdu a přepravu nákladu v terénu. Ta bude 2,5krát větší, než je Generace 0 a měla by uvézt asi tunu nákladu i v nerovném terénu. Proto je vybavena velkými traktorovými koly. Zatím se příliš nezabýváme designem, podstatné je, co vozidlo umí,“ uvádí doc. Petrů. Připomíná, že díky algoritmu vyvíjenému ve spolupráci s vědeckými týmy FM TUL (doc. Jaroslav Hlava) a katedry matematiky a didaktiky (doc. Jaroslav Mlýnek) už Generace 0‘ a Generace 0 předvedly své schopnosti v reálných podmínkách, když jezdily po dlouhých chodbách univerzity a bezpečně se vyhýbaly všem překážkám. „Díky přidaným kamerám vozítko snímá dráhu, objíždí sloupy a bezpečně se vyhne nastaveným bednám i lidem, kteří mu vstoupí do cesty. Chceme ale jít dál. Nyní na nejmenším autíčku řešíme, aby se vozítko dokázalo v reálném prostředí vyhnout překážce i tak, že nejdříve zacouvá a pak se zase rozjede dopředu. Vypadá to jednoduše, ale z hlediska řízení a softwaru to je velmi náročný manévr,“ hodnotí dvě generace autonomního vozítka a nastiňuje další vývoj Jan Kočí.
Spolupráce se zahraničními partnery a nový projekt
Téma autonomního vozíku s vlastním „myšlením“ a „viděním“ přesahuje rámec Libereckého kraje i České republiky. Liberecká univerzita získala v rámci tohoto vývoje řadu českých i zahraničních partnerů z akademické půdy, z vědeckých institucí i z průmyslu. „Kontaktovali nás kolegové z Německa i USA, spolupracovat s námi chce Čína a Indie a dostáváme nabídky spolupráce i s Jižní Koreou nebo Malajsií. Světovým výzkumem hýbají taková zásadní témata, jako jsou autonomnost a inteligentní systémy, které by časem mohly přejít do umělé inteligence. Světová pracoviště i světové firmy se chtějí k těmto tématům co nejvíce přiblížit. Neznamená to, že převezmou zrovna naše vozidlo, ale náš tým postupně získává skutečně rozsáhlé znalosti a má co nabídnout i renomovaným partnerům. Propojení a kolaborace mezinárodních týmů přidává tomuto vývoji novou kvalitu,“ říká doc. Petrů. Je přesvědčen, že i díky dosavadním výsledkům jsou liberečtí vědci zváni na různá odborná fóra a konference, nejen jako účastníci, ale i jako vyzvaní řečníci. Nepochybně to Technické univerzitě v Liberci přispívá k hledání nových partnerství pro mezinárodní projekty. Příkladem lze uvést projekt DAIS, který byl podpořen z Horizon 2020 (H2020) a je zaměřen na vývoj komponent a částí s umělou inteligencí. Je to jeden z největších programů EU pro výzkum a inovace, který získal financování ve výši téměř 33 milionů eur po dobu tří let (2021 až 2024), do kterého se zapojilo 47 partnerů z 11 zemí, včetně České firmy IMA a Vysokého učení technického v Brně. Kromě soukromých investic se od něj očekává více průlomů, objevů a světových novinek tím, že se skvělé nápady z laboratoří přenesou na trh. /Jaroslava Kočárková/